DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)實(shí)船電氣設(shè)計(jì)分析

鄭智

（武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖北武漢430050）

動(dòng)力定位系統(tǒng)(Dynamic Positioning System，簡(jiǎn)稱DP)是一種閉環(huán)的控制系統(tǒng)，其主要利用推進(jìn)器產(chǎn)生的推力來(lái)抵抗海上各種環(huán)境力（例如風(fēng)、浪、流等），從而使船舶在海面上盡可能地保持所要求的位置與艏向上。配備了動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶可操縱大大提高，并且操作也比較方便，因而廣泛應(yīng)用于海洋鉆井船、鉆井平臺(tái)、飽和潛水船、鋪管船等高端海洋工程裝備上。

IMO和各大船級(jí)社對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的配置提出了嚴(yán)格要求,制定了三個(gè)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，分別是一級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP-1）,二級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP-2）,三級(jí)動(dòng)力定位系統(tǒng)（DP-3）。CCS也對(duì)配置了動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶授予附加標(biāo)志，其要求有如下規(guī)定：

1 ）DP-1級(jí)?？稍谝?guī)定的環(huán)境條件下，自動(dòng)保持船舶的位置和艏向，同時(shí)還應(yīng)設(shè)有獨(dú)立的集中手動(dòng)船位控制和自動(dòng)艏向控制。

2 ）DP-2級(jí)。在出現(xiàn)單個(gè)故障(不包括一個(gè)艙室或幾個(gè)艙室的損失)后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和艏向。

3 ）DP-3級(jí)。在出現(xiàn)任一故障(包括由于失火或進(jìn)水造成一個(gè)艙室的完全損失)后，可在規(guī)定的環(huán)境條件下，在規(guī)定的作業(yè)范圍內(nèi)自動(dòng)保持船舶的位置和艏向[1]。

由此可見(jiàn)，三個(gè)級(jí)別的動(dòng)力定位系統(tǒng)中，DP-3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求最高。要實(shí)現(xiàn)這樣的功能要求，必須采用冗余設(shè)計(jì)，即船舶必須配置多套相互獨(dú)立的動(dòng)力定位設(shè)備。除此之外，獨(dú)立的系統(tǒng)之間必須進(jìn)行A60級(jí)的物理分隔。只有這樣才能保證由于失火或進(jìn)水造成一個(gè)艙室的完全損失后，剩余系統(tǒng)仍然能夠自動(dòng)保持船舶位置和艏向。這樣的冗余設(shè)計(jì)，不同于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。因此DP-3船舶的詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)設(shè)計(jì)相比于普通非DP-3船舶設(shè)計(jì)，大大增加了其船舶電氣的設(shè)計(jì)難度。

1 實(shí)船配置

該船為多功能深潛水打撈工作母船，可以開(kāi)展海上打撈救援作業(yè)，作為工作母船還可以向ROV和飽和潛水提供支持。實(shí)船船體總長(zhǎng)180.0m，型寬33.0m，配備了先進(jìn)的DP3動(dòng)力定位系統(tǒng)，船舶電站采用6.6kV的中壓電力系統(tǒng)，全船配備6臺(tái)主發(fā)電機(jī)，每臺(tái)功率為4656kW；3臺(tái)全回轉(zhuǎn)主推進(jìn)器，每臺(tái)功率為5500kW；2臺(tái)側(cè)推，每臺(tái)功率為3100kW；2臺(tái)伸縮推，每臺(tái)功率為3100kW，動(dòng)力定位設(shè)備配置詳見(jiàn)表1。

表1 動(dòng)力定位設(shè)備配置表

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)分析

船舶電氣詳細(xì)設(shè)計(jì)是以方案設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，解讀規(guī)范并開(kāi)展電氣系統(tǒng)性設(shè)計(jì)。它為船舶電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的系統(tǒng)圖，系統(tǒng)圖主要包括各種系統(tǒng)設(shè)備之間的電氣連接、電纜規(guī)格以及可供參考的設(shè)備布置位置。目前，國(guó)內(nèi)具備DP-3方案設(shè)計(jì)能力的設(shè)計(jì)院所極少，各大船舶設(shè)計(jì)院主要采用國(guó)外的方案設(shè)計(jì)，以方案設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，開(kāi)展詳細(xì)設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)。

2.1 船舶電站閉環(huán)設(shè)計(jì)

配備了DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)的船舶，其電氣詳細(xì)設(shè)計(jì)方法不同于非DP-3船舶電氣設(shè)計(jì)的一個(gè)顯著特點(diǎn)是DP-3船舶的電站采用閉環(huán)冗余設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，DP-3船舶的多個(gè)配電板需要依次首尾聯(lián)結(jié)，形成一個(gè)閉環(huán)的電站。因?yàn)镈P-3船舶的一個(gè)艙室完全損失后仍具有定位能力的特殊要求，所以電站配電板只有這樣的設(shè)計(jì)才能滿足電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性和可靠性。另外，多臺(tái)發(fā)電機(jī)和推進(jìn)器需要分別連接到多個(gè)配電板上形成多個(gè)分組，每個(gè)分組之間需采用A60級(jí)物理分隔，6.6kV中壓主配電板單線圖如圖1所示。

圖1 6.6kV主配電板單線示意圖

由此可見(jiàn)，DP-3船舶在動(dòng)力定位模式下，每個(gè)主配電板之間相互隔離，每個(gè)主配電板上至少有一臺(tái)主發(fā)電機(jī)供電，從而可以有效避免配電板單一故障影響到其他配電板。相比非DP-3船舶電站，這樣的閉環(huán)設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)配電板極高的冗余要求，并且發(fā)電機(jī)均分負(fù)載，減少在網(wǎng)發(fā)電機(jī)的數(shù)量，可以提高運(yùn)行效率。各船級(jí)社先后發(fā)布了閉環(huán)電網(wǎng)技術(shù)的指導(dǎo)意見(jiàn)，一些公司也相繼開(kāi)發(fā)出閉環(huán)電網(wǎng)的產(chǎn)品并在實(shí)船上應(yīng)用[2]。

2.2 DP分區(qū)

DP-3船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)進(jìn)行了A60級(jí)分隔冗余設(shè)計(jì)，為了生產(chǎn)設(shè)計(jì)以及后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)施工建造過(guò)程中，能夠真正實(shí)現(xiàn)A60級(jí)的物理分隔，必須預(yù)先對(duì)動(dòng)力定位系統(tǒng)的設(shè)備進(jìn)行分區(qū)，簡(jiǎn)稱DP分區(qū)。分區(qū)的依據(jù)是動(dòng)力系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及推進(jìn)系統(tǒng)所組成的多套定位系統(tǒng)在滿足冗余的情況下按規(guī)范配置，但是多套定位系統(tǒng)彼此之間都要滿足A60級(jí)分隔。只有這樣，當(dāng)船舶遭遇丟失一個(gè)艙室后，仍然具備動(dòng)力定位的能力。

根據(jù)本船動(dòng)力定位設(shè)備配置，將六臺(tái)主發(fā)電機(jī)分為三組，每組包含有兩臺(tái)主發(fā)電機(jī)；三臺(tái)主推進(jìn)器每臺(tái)為一個(gè)獨(dú)立的分組，共分三組，與三組發(fā)電機(jī)組對(duì)應(yīng)；四臺(tái)6.6kV主配電板分為四組，每組一臺(tái)；其他配電裝置和側(cè)推、伸縮推合理分組。本船DP設(shè)備分組見(jiàn)表2。

完成DP分區(qū)之后，詳細(xì)設(shè)計(jì)利用劃分好的DP分區(qū)來(lái)進(jìn)行總布置圖的設(shè)計(jì)，主要包括機(jī)艙內(nèi)主發(fā)電機(jī)組的布置、配電板間的布置、推進(jìn)器艙的布置等。通常來(lái)講，完成總布置圖的DP分區(qū)之后，可在總布置圖上用不同的顏色對(duì)不同的DP區(qū)加以區(qū)別，如圖2所示，藍(lán)色代表1號(hào)DP分區(qū)、洋紅色代表2號(hào)DP分區(qū)、綠色代表3號(hào)DP分區(qū)、青色代表4號(hào)DP分區(qū)，這樣可以為生產(chǎn)設(shè)計(jì)帶來(lái)更加精準(zhǔn)的參照。

表2 DP分區(qū)的設(shè)備配置表

圖2 DP分區(qū)示意圖

3 生產(chǎn)設(shè)計(jì)分析

船舶電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)是以詳細(xì)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，開(kāi)展施工設(shè)計(jì)，為現(xiàn)場(chǎng)施工提供指導(dǎo)依據(jù)。非DP-3船舶電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)需要完成電纜冊(cè)的編制、電氣設(shè)備三維建模和三維綜合布置等設(shè)計(jì)任務(wù)。在深刻理解DP分區(qū)的意義后，DP-3船舶電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)不同于非DP-3船舶設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于電纜走向設(shè)計(jì)。

3.1 DP電纜走向設(shè)計(jì)要求

全船與動(dòng)力定位系統(tǒng)相關(guān)的電纜（簡(jiǎn)稱DP電纜）需要單獨(dú)清理出來(lái)，在電纜冊(cè)中做特殊標(biāo)識(shí)，然后按照其所屬的DP分區(qū)，在相對(duì)應(yīng)的DP分區(qū)內(nèi)完成DP電纜走向圖的設(shè)計(jì)。換句話說(shuō)，例如2號(hào)DP分區(qū)里的DP設(shè)備和DP電纜只能在2號(hào)DP分區(qū)里完成三維布置和電纜走向圖，而不能穿越到1號(hào)DP分區(qū)內(nèi)或者3、4號(hào)DP分區(qū)內(nèi)。這樣的設(shè)計(jì)要求無(wú)疑增大了設(shè)計(jì)難度，因?yàn)榉荄P-3船舶的電纜走向理論上可以在船內(nèi)任意穿越，而DP-3船舶的DP電纜卻被劃分在所屬DP分區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)，這使得電纜走向的設(shè)計(jì)空間被壓縮。

少數(shù)不可避免地需要穿越到其他DP分區(qū)里的電纜，必須單獨(dú)對(duì)該電纜做A60級(jí)物理分隔。一般是在這些電纜外加A60級(jí)電纜管分隔，這也會(huì)增加施工工藝的復(fù)雜程度。

3.2 三維建模

DP-3船舶冗余設(shè)計(jì)要求，造成這類船舶的電纜量非常大，再加上DP電纜路徑空間受限的特點(diǎn)，使得三維建模與綜合布置異常困難。在船舶電氣生產(chǎn)設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)各專業(yè)相互協(xié)調(diào)，反復(fù)溝通，以及信息誤差造成的設(shè)計(jì)返工。在開(kāi)始三維建模設(shè)計(jì)之前，需要定義各類電纜的顏色，每個(gè)組別的顏色各不相同，以便于識(shí)別區(qū)分[3]。為了方便電纜托架和模型的區(qū)分，電纜的顏色需要在建模之前由總師或主管確定好，顏色定義和模型分別見(jiàn)表3和圖3。一旦確定好顏色后，各個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)人員按照要求開(kāi)展三維建模設(shè)計(jì)。

圖3 電纜通道走向示意圖

表3 三維模型電纜顏色劃分示意表

三維設(shè)計(jì)人員根據(jù)電纜清冊(cè)，挑出本分區(qū)的所有DP電纜，優(yōu)先完成DP電纜走向的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行本DP分區(qū)的DP電纜不得穿越經(jīng)過(guò)其他DP分區(qū)，有特殊情況的DP電纜待定。完成了DP電纜的三維設(shè)計(jì)之后，可以進(jìn)行非DP電纜的三維設(shè)計(jì)。電纜通道與電纜托架的設(shè)計(jì)只需遵循設(shè)計(jì)手冊(cè)與工藝標(biāo)準(zhǔn)即可。

4 結(jié)語(yǔ)

DP-3船舶在操縱性、穩(wěn)定性與可靠性等方面優(yōu)勢(shì)突出，因此DP-3動(dòng)力定位系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到高端船舶上。DP-3系統(tǒng)前景雖好，但是因其系統(tǒng)及布置的復(fù)雜，要求高、設(shè)計(jì)難度大，為船舶電氣設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)。例如，如何正確敷設(shè)動(dòng)力定位系統(tǒng)電纜，以確保任一區(qū)域的電纜發(fā)生故障后不會(huì)超過(guò)設(shè)定的最大單點(diǎn)故障[4]，從而滿足FMEA的要求，這也是船舶電氣設(shè)計(jì)不可忽視的重要工作。本文通過(guò)DP-3實(shí)船案例，介紹分析DP-3船舶電氣詳細(xì)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與難點(diǎn)，以及電纜路徑設(shè)計(jì)基本方法，為船舶行業(yè)設(shè)計(jì)人員提供借鑒與參考。